Hard iznutra Jedna od stvari koje intrigiraju sve korisnike računara koji bi da se upoznaju s iznutricama svog elektronskog mezimca jeste parče hardvera poznatije kao hard disk. Mnogima od nas je više puta pala na pamet ideja da otvorimo ovakav uređaj i vidimo šta se nalazi unutra, međutim, za ovo je potrebno da imamo primerak pokvarenog hard diska, kao i, za kućne uslove prilično nestandardan, set „torx” šrafcigera. Pošto se sadržaj hard diska ne gubi prilikom njegovog gašenja, a podacima u njemu se ne može direktno pristupiti i hard disk spada u sekundarne memorijske uređaje, kao i zbog toga što je kapacitet hard diska mnogo veći od kapaciteta primarne memorije (RAM), hard disk spada u masovne memorijske uređaje. Iako je koncept rada hard diska star oko 50 godina, moderni hard diskovi se dosta razlikuju od svojih predaka. Smanjivanje dimenzija uređaja, kao i povećanje performansi najosetnije su razlike, a da bi bile omogućene, u hard diskove su konstantno implementirane najnovije tehnologije i materijali.
Kako radi?
Moderni hard diskovi se ne razlikuju bitno u pogledu delova koji ih sačinjavaju. Gledano spolja, na prosečnom hard disku se najpre uočava štampana ploča na kojoj su smeštene komponente koje upravljaju radom uređaja i obezbeđuju stabilno napajanje svih mehaničkih i elektronskih komponenti. Na ovoj ploči se nalaze stabilizatori napona, kontroler, ROM u koji je smešten firmver (firmware) i RAM koji se koristi za keširanje podataka. ROM hard diska je posebno značajan zato što pored firmvera sadrži i takozvane „adaptive”,
1
podatke koji su različiti za svaki pojedinačni hard disk, a koji omogućavaju da „baš ta glava radi baš sa tim motorom i baš tim pločama”. Po otvaranju hard diska, prvo što upada u oči jesu ploče na kojima se smeštaju podaci. U početku su ploče u potpunosti bile izrađene od feromagnetnog materijala i njihov prečnik je iznosio i do jednog metra, dok je njihov kapacitet bio izuzetno mali u poređenju s današnjim pločama. Moderni hard diskovi koriste ploče koje su najčešće izrađene od neke vrste plastike i presvučene slojem feromagnetnog materijala. Pri izradi ploča se posebno obraća pažnja na njihov oblik: pored toga što moraju biti izbalansirane kako ne bi unosile horizontalne vibracije u uređaj, tolerancija neravnina na površini je veoma mala. Nekada davno, glave koje služe za čitanje i upisivanje podataka dodirivale su ploču. Kako bi se izbeglo trenje i štetno habanje ploča, na modernijim hard diskovima glave ne dodiruju ploče, već se nalaze na jako malom rastojanju od površine ploča. Posledica neravnina na pločama jeste variranje ovog rastojanja, što utiče na kvalitet čitanja i pisanja, a u ekstremnim slučajevima može izazvati i tzv. head crash, to jest sudaranje glava s pločom i njihovo oštećenje. Za pokretanje ploča se koristi poseban motor na čiju su osovinu ravnomerno naslagane ploče. Ovi motori moraju da budu veoma izdržljivi, kako po pitanju velikog broja radnih sati tako i po velikom broju start/stop ciklusa (uključivanje i isključivanje hard diska). Njihova druga bitna osobina jeste stabilnost ugaone brzine. Kako bi se brzina kojom motor rotira ploče održala konstantnom, motor u svakom današnjem hard disku sadrži i poseban servo sistem pomoću kojeg može da koriguje svoj rad. Takođe, kada su motori za rotiranje ploča u pitanju, veliki problem koji se javio poslednjih godina jeste buka koju proizvode. Ova buka potiče od ležaja u koji je usađen rotor motora (osovina na kojoj su ploče). Kako bi se smanjila buka, ovi ležajevi su evoluirali od običnog rukavca (sleeve), preko kugličnog ležaja (ball bearing), do najsavremenije varijante koja se oslanja na viskoznost tečnosti (fluid dynamic bearing). Drugi deo hard diska koji po otvaranju upada u oči jeste ruka na kojoj se nalaze glave za čitanje i pisanje, kao i motor koji je pokreće. U prvim hard diskovima motor koji je pokretao glave bio je koračni (step, stepper) motor. Ovaj motor može da se pokreće samo u koracima određene dužine (npr. 1°) i može se zadržati u određenom položaju. Na modernim hard diskovima ruka i motor predstavljaju jedan mehanizam koji se zove Voice Coil Actuator (VCA). VCA funkcioniše po istom principu kao i zvučnici. Kroz kalem koji se nalazi u jakom magnetnom polju propušta se struja što izaziva njegovo kretanje. Ovi motori se mogu proizvoljno kretati (a ne u koracima) i zadržavanje istog položaja je komplikovanije. Razlog za prelazak s koračnih motora na VCA leži u činjenici da se predmeti na toploti šire, dok se na hladnoći skupljaju. Zbog ovoga je neophodno postojanje sistema pomoću kojeg se položaj glave može korigovati, što je mnogo jednostavnije izvesti sa VCA motorima. Glave hard diska su izrađene na silicijumskim pločicama, izuzetno su malih dimenzija i osetljive su na oštećenja i prašinu. Poređenja radi, ukoliko bi glava hard diska bila veličine glave Silvestera Stalonea, prosečno zrno prašine bi bilo veličine pesnice Dolfa Lungrena, dok bi efekat sudara glave sa zrnom prašine imao isti efekat kao udarac Dolfove pesnice u Staloneovu glavu u jednom od filmova iz „Roki” serijala. Glave su sa rukom koja ih pokreće povezane preko klizača (slider). Klizači održavaju rastojanje između glave i ploča, a, takođe, u normalnim uslovima sprečavaju da glave padnu na ploče i tako se oštete. Od neuglednijih elemenata, pored elektronike koja ide uz glave i motor, tu je jedino sistem za zabravljivanje glave kada je parkirana, to jest kada je hard disk isključen. Pri isključenju hard diska, glave se „parkiraju” odnosno pomeraju na poseban deo ploča na kom se ne skladište podaci. Ova oblast na pločama se naziva zona sletanja (landing zone) i kod većine hard diskova se nalazi odmah pored osovine motora. Kod nekih modela se nalazi na rubu ploča, dok pojedini IBM-ovi i Hitachijevi hard diskovi svoje glave premeštaju sa ploča na posebne površine. Po premeštanju, proces parkiranja glava završava se zabravljivanjem kako bi se sprečilo njihovo nekontrolisano pomeranje. Kao brava se najčešće koristi magnet, dok se kod nekih diskova koristi poseban elektromagnet koji je u toku rada isključen.
2
Geometrija Pod geometrijom hard diska se podrazumeva fizička organizacija prostora koji služi za smeštanje podataka. Geometrija hard diska se određuje u fabrici, procesom poznatijim kao formatiranje niskog nivoa (low level format, LLF). Svaka ploča na kojoj se smeštaju podaci deli se na staze (track). Po obliku, jedna staza je kružnica i predstavlja deo ploče koji glava može pročitati bez pomeranja. Svaka staza je izdeljena na sektore. U sektorima se čuvaju podaci. Veličina sektora se izražava u bajtovima i u tom pogledu su svi sektori jednaki. Podacima se može pristupiti tako što se zadaju redni broj staze i redni broj sektora u kojima se nalaze. Treba pomenuti da je sektor ujedno i najmanja količina podataka koju hard disk može zasebno da pročita odnosno upiše. Pošto prosečan hard disk ima najmanje jednu ploču sa dve strane koje se koriste za smeštanje podataka, za određivanje pozicije se koristi tzv. CHS adresa. CHS (Cylinder, Head, Sector) adresa se sastoji od rednog broja cilindra, rednog broja glave i rednog broja sektora kojem treba pristupiti. Cilindar predstavlja skup staza koje su podjednako udaljene od centra ploče. Kako bi se znalo o kojoj površini se radi, koristi se i redni broj glave. Do pre otprilike 15 godina, hard diskovi su koristili jednostavnu geometriju koja je podrazumevala da sve staze imaju jednak broj sektora. Posledica ovoga je bilo neefikasno iskorišćenje fizičkog prostora na obodu ploča jer su sektori u stazama bližim rubu ploče bili znatno veći od sektora u stazama bližim centru. Zbog toga je uveden koncept zonskog snimanja (zone bit recording). Naime, najefikasnije iskorišćenje fizičkog prostora bilo bi moguće ukoliko bi svaka staza imala odgovarajući broj sektora primeren njenoj dužini. Pošto bi ovaj metod znatno iskomplikovao način pristupa podacima, primenjeno je jednostavnije rešenje. Trake su grupisane u zone. Zona predstavlja skup staza koje imaju jednak broj sektora. Ovim je postignuto da staze pri rubu ploče imaju više sektora od staza na sredini i pri centru ploče, a ujedno je zadržana i jednostavnost pristupa. Kod modernih hard diskova staze su podeljene najviše na pet zona. Adresiranje Kako bi hard disk znao gde treba da piše odnosno odakle treba da čita, od računara mora dobiti adresu sektora. Današnji kontroleri, bez obzira na to da li su izrađeni po IDE/ATA ili SCSI standardu, koriste način adresiranja poznatiji kao LBA (Logical Block Addressing) koji potpuno ignoriše geometriju hard diska. Naime, svaki sektor ima svoj redni broj i podacima se pristupa zadavanjem rednog broja sektora u koji podatak treba da se upiše odnosno iz kojeg treba da se pročita. SCSI (Small Computer System Interface) kontroleri odavno koriste ovaj metod, ali je kod IDE/ATA (Integrated Device Electronics/AT Attachment) kontrolera adresiranje svojevremeno bilo veliki problem. Sve je bilo u redu dok su hard diskovi koristili jednostavnu geometriju. U BIOS računara se upisivao broj cilindara, glava i sektora po stazi i adresa je imala oblik koji se zove CHS (Cylinder, Head, Sector). Cilindar je skup staza na svim pločama koje se nalaze na istom odstojanju od osovine hard diska, dok je broj glava zavisio od broja ploča, tačnije od broja površina na pločama koje su se koristile za smeštanje. Kada je zonska geometrija ušla u primenu, bilo je nezgodno zadavati i broj zone kao deo adrese. Zbog ovoga su BIOS-u računara podmetani lažni podaci o broju cilindara, glava i sektora po stazi. Na ovaj način je prevaziđen problem adresiranja u zonskoj geometriji jer je proizvod lažnih vrednosti odgovarao realnom broju sektora, dok je hard disk određivao stvarnu adresu. Primenom LBA adresiranja u IDE/ATA kontrolerima ovo komplikovano prevođenje adresa je prevaziđeno. Takođe, LBA adresiranje je omogućilo lakše povećanje dozvoljenog kapaciteta diska, što je u više navrata bio problem s IDE/ATA kontrolerima. Kapacitet i sadržaj Dva parametra koji se vezuju za hard diskove i iz kojih potiču njihove male dimenzije i veliki kapaciteti jesu gustina pakovanja staza i bitska gustina. Gustina pakovanja staza predstavlja broj staza koje se nalaze na
3
jednom inču poluprečnika hard diska. Bitska gustina ukazuje na broj bitova koji se mogu smestiti na jedan inč staze. Ove dve veličine se često izražavaju kombinovano kao broj bita po kvadratnom inču, a trenutno važeći rekord je 100 gigabita po kvadratnom inču. Ova zaista velika cifra postala je moguća ne samo zahvaljujući korišćenju boljih magnetnih materijala i preciznijim VCA motorima, već i boljim načinima zapisivanja i čitanja podataka. Pošto se bitovi na hard disku predstavljaju orijentacijom magneta, posledica povećavanja gustine jeste mešanje magnetnih polja susednih bitova. Kako bi se omogućilo ispravno čitanje, razvijene su posebne metode kodiranja podataka (digitalna modulacija), kao i dekodiranja. Neke od ovih metoda su FM (frekventna modulacija), MFM (modifikovani FM), RLL (run length limited), PRML (partial response, maximum likelyhood) i najmodernija, EPRLM (extended PRML). Ovo je vezano za digitalnu obradu signala i prevazilazi obim ovog teksta, ali se na Internetu može naći mnogo resursa koji detaljno objašnjavaju ove postupke. Kada se govori o kapacitetu hard diska, obično se misli na količinu prostora koja se može iskoristiti za smeštanje korisničkih podataka. U stvarnosti, kapacitet hard diska je mnogo veći. Pored korisničkih podataka, na hard disku se čuva mnogo drugih podataka koje korisnik ne vidi, a koji su neophodni za ispravno funkcionisanje uređaja. U njih spadaju servo podaci, zaglavlja staza i sektora, kao i kodovi za korekciju grešaka (Error Correction Codes). Korisniku su, naravno, najbitniji njegovi podaci. Međutim, sa stanovišta hard diska, korisnički podaci nemaju neku preteranu upotrebnu vrednost. Kao što smo ranije rekli, geometrija hard diska određuje se prilikom formatiranja niskog nivoa i tom prilikom se u staze i sektore upisuju zaglavlja koja sadrže identifikacione podatke (redni broj) i podatke o statusu (ispravnost), zatim sinhronizacioni podaci koji označavaju početak i kraj staza i sektora, kao i delova sektora koji sadrže podatke. Takođe se definišu i razmaci između sektora i staza. Posebni podaci koji se fabrički upisuju na hard disk jesu servo podaci. Usled termičkog širenja ploča i feromagnetnog materijala, staze se ne nalaze uvek na istom odstojanju od centra ploče. Zbog ovoga je neophodno obezbediti sistem korekcije položaja VCA motora. Ovo se radi putem servo podataka. U fabrikama se na ploče pomoću posebnih servo pisača (servo writer) na diskove upisuju servo podaci, to jest markeri na osnovu kojih se određuje kako treba korigovati položaj glave da bi podatak bio upisan na pravo mesto i kasnije efikasno pročitan. U zavisnosti od načina smeštanja servo podataka, postoje dva sistema. Prvi sistem koristi površinu jedne ploče isključivo za servo podatke i jednu glavu isključivo za čitanje servo podataka. Ovaj sistem se naziva posvećeni servo (dedicated servo) i nije naročito efikasan. Pre svega, jedna površina se koristi isključivo za servo podatke i ne može se koristiti za smeštanje servo podataka, što hard disk čini skupljim. Pored toga, ovaj sistem podrazumeva da su sve glave u istom položaju na ruci koja ih drži, što ne mora biti slučaj. Drugi sistem se zove ugrađeni servo (embedded servo) i u njemu se servo podaci nalaze u okviru samih sektora. Ovaj sistem je mnogo efikasniji i koristi ga velika većina modernih hard diskova. Poslednji, ali ne i najmanje važni pomoćni podaci koji se nalaze na hard disku jesu kodovi za otkrivanje i korekciju grešaka (Error Correction Codes). Prilikom upisa korisničkih podataka u sektor, hard disk izračunava ECC kôd koji se upisuje na hard disk iza podatka. Prilikom čitanja, iz pročitanog podatka se ponovo računa ECC i poredi s onim koji je upisan na disku; ukoliko se poklapaju, čitanje je uspešno obavljeno, a ukoliko se ne poklapaju, čitanje se ponavlja i ako nekoliko puta ne bude uspešno, disk smatra da je došlo do greške u čitanju. Kao ECC kodovi se koriste Rid-Solomonovi kodovi (Reed-Solomon) o kojima se više informacija može pronaći na Internetu. Priprema za rad Nakon formatiranja niskog nivoa, hard disk još uvek nije spreman za rad. Na hard disku se nalazi posebna oblast koja se naziva Master Boot Record. U MBR-u se može naći program koji podiže operativni sistem (boot-strap loader), ali obavezni deo MBR-a je particiona tabela. Disk je moguće izdeliti na više delova koji se nazivaju particije. Razlog za ovo je efikasnija raspodela prostora, a cilj je jednostavnije održavanje celog sistema. Deljenje diska na particije je i dan-danas predmet žestokih rasprava među korisnicima, ali hard disk mora imati najmanje jednu particiju koja može biti veličine celog hard diska. Nakon particionisanja, dolazi formatiranje visokog nivoa koje, naravno, može da obavi sam korisnik. Formatiranjem visokog nivoa sa pravi fajl sistem (FAT, NTFS, Ext3, Reiser...) koji omogućava smeštanje
4
podataka na način koji je razumljiv ljudima (raspored po direktorijumima i davanje imena fajlovima). Na jednoj particiji se može nalaziti samo jedan fajl sistem. Tek posle ovoga, hard disk je spreman za upotrebu. Problemi Ispravan rad hard diska zavisi od mnogo stvari. Pored gubitka podataka, posledica mnogih kvarova je degradacija performansi hard diska kada je u pitanju pristup podacima. Najjednostavnija su logička oštećenja podataka koja predstavljaju nepravilnosti u organizaciji podataka odnosno fajl sistemu. Ona mogu nastati kao posledica nepravilnog gašenja računara, ali i kao posledica ozbiljnijeg kvara. Ova oštećenja se uglavnom lako otklanjaju i nakon toga disk ostaje ispravan. Najočigledniji i najčešći uzroci kvara su otkazi elektronskih i mehaničkih komponenti. U nekim slučajevima je ove kvarove moguće otkloniti korišćenjem ispravnih delova sa istovetnog hard diska i povraćaj podataka se zatim svodi na jednostavno kopiranje sadržaja popravljenog hard diska. Međutim, ova metoda nije uvek efikasna i zahteva skupu opremu, kao i postojanje čiste komore (clean place). Kvarovi elektronskih i mehaničkih komponenti često imaju kaskadni efekat jer usled nemogućnosti normalnog rada hard disk uništava podatke na sebi. Međutim, kao što smo rekli, u hard disku se podaci čuvaju na magnetnom mediju, a, pored korisničkih podataka, hard disk sadrži i mnoge druge. Magnetni medij je podložan oštećenjima koja su posledica nesavršenosti procesa izrade, kao i opadanja karakteristika magnetnog materijala tokom vremena. Usled ovoga se na pločama pojavljuju oblasti koje ne mogu ispravno čuvati podatke i koje nazivamo defektnim oblastima. Jedan sektor se sastoji od identifikacionih podataka, sinhronizacionih polja (markeri za početak i kraj sektora), korisničkih podataka, kôda za korekciju greške, servo podataka i razmaka od sledećeg sektora. Staze imaju slične podatke pomoću kojih se jednoznačno identifikuju i obeležavaju im se početak i kraj. Ukoliko se sektor ili cela staza nalaze u defektnoj oblasti, bilo koji od njegovih delova može biti oštećen. A oštećenje svakog dela ima svoje efekte. Ukoliko su oštećeni identifikacioni podaci, ne može se odrediti redni broj sektora ili staze, kao ni njegov status, tako da se može činiti izgubljenim ili se može prijavljivati kao ispravan iako je zapravo loš. Posledica oštećenja sinhronizacionih polja jeste nemogućnost pronalaženja početka i kraja staze odnosno sektora, tako da, iako su podaci možda ispravni, hard disk nije u mogućnosti da im pristupi jer ne može da ih pronađe. Integritet servo podataka je od presudnog značaja: ukoliko su oni oštećeni, hard disk nije u stanju da ispravno navodi glavu, što može da dovede do ozbiljnih oštećenja podataka koji se nalaze oko defektne oblasti. Kada su korisnički podaci i ECC kodovi u pitanju, njihova oštećenja ne utiču na rad hard diska. Međutim, oni su obično prvi pokazatelj „početka kraja”. Naime, moderni hard diskovi ne koriste sve sektore za čuvanje podataka, već samo onoliko koliko je neophodno da bi disk imao nazivni kapacitet. Sektora zapravo ima mnogo više i oni koji se ne koriste čuvaju se kao rezerva: u slučaju da neki od sektora postane loš, rezervni sektor zauzima njegovo mesto. Ova mogućnost se zove mapiranje defekta (defect mapping) i odvija se transparentno. Ukoliko hard disk ustanovi da je za čitanje nekog sektora neophodno više pokušaja, označiće ga kao loš i u mapi defekata će zapisati koji rezervni sektor se koristi umesto lošeg sektora, a zatim će pokušati da izvuče podatke iz lošeg sektora i da ih iskopira u rezervni. Na ovaj način se obezbeđuje blagovremeno spasavanje podataka koji se nalaze u ugroženim oblastima. Pojedini hard diskovi su „svesni” činjenice da se defektne oblasti šire i zbog toga automatski zamenjuju i sektore koji se nalaze oko novootkrivenog lošeg sektora, a ponekad se zamenjuju i čitave staze. Mapiranje defekata obezbeđuje da se u normalnim okolnostima prilikom skeniranja površine diska alatima kao što su chkdsk pod Windowsom ili badblocks pod Linuxom ne vidi prisustvo loših sektora. Međutim, količina rezervnog prostora je ograničena. Nakon trošenja rezerve, novonastali loši sektori počinju da se vide i prilikom skeniranja. Ovo je siguran znak da je hard disk došao pred sam kraj svog životnog veka i da ga što pre treba zameniti. •••
5
Kao što smo videli, hard diskovi zaista predstavljaju najkompleksnije uređaje koji se koriste u računarima. Proizvodnja hard diskova je po mnogo čemu složeniji proces od proizvodnje ostalih komponenti, dok je njihovo servisiranje teško i zahteva mnogo znanja i skupu opremu. U svakom slučaju, problematika hard diskova je više nego zanimljiva, a zanimanja u ovoj branši su veoma isplativa.
6
